Neue Maschinen, Werkstoffe und Verfahren

Konstruktionsbüro Hein: Mehr Qualität und Prozesssicherheit beim Spritzgießen

Auf dem Fakuma-Stand des Normalienherstellers Nonnemann GmbH, Winterbach, präsentiert die
Konstruktionsbüro Hein GmbH, Neustadt a. Rbge., mehrere Lösungen für Spritzgießverarbeiter im Bereiche Anguss, Entlüftung sowie Schwindungs- und Verzugsvorhersage.

Hofbildung reduzieren mit einstellbarer Angussbremse

Die scherungsarme Tunnelangussgeometrie wurde vom Konstruktionsbüro Hein entwickelt. (Abb.: Hein)

Die scherungsarme Tunnelangussgeometrie wurde vom Konstruktionsbüro Hein entwickelt. (Abb.: Hein)

Ein Spritzgießwerkzeug mit auf die Aufgabe abgestimmten Anguss-, Entlüftungs- und Temperierelementen kann die Bauteilqualität und Prozesssicherheit deutlich verbessern sowie Zeit und Energie einsparen. Mit der neuen einstellbaren und temperierbaren Heino-Angussbremse lässt sich beispielsweise der matte Hof deutlich reduzieren.

Der Bereich der Heißkanaldefinition befindet sich mittlerweile auf hohem Niveau. Der Kaltkanal aber wurde in den letzten Jahren häufig vernachlässigt und falsch ausgelegt, was zu erhöhtem Energiebedarf (Druck), Werkstoffschädigungen durch erhöhte Scherung und vielfältigen ungewünschten Markierungen am Bauteil führen kann.

Für die meisten Thermoplaste soll der Anguss die Masse über einen Kaltverteiler möglichst druck- und scherungsarm in die Kavität bringen und eine gute Nachdruckmöglichkeit bieten. Für Elastomere bis hin zur Gummianwendung benötigt man in der Regel eine kontrollierte Scherung beim Anspritzen. Somit liegt im Kaltkanal mit einem kontrollierten Totkanal, einer guten Entlüftung, der sinnvollen Balancierung der Kanäle bei Mehrfachanspritzungen und der spezifischen Film- oder Tunnelangussgeometrie ein deutliches Augenmerk. Nicht selten wird hier bestimmt, ob später Schlieren, Vakuole oder Lufteinschlüsse und eine unzureichende Oberflächenstrukturabbildung im Bauteil zu finden und auch zu sehen sind.

Die scherungsarme Heino-Tunnelangussgeometrie wurde vom Konstruktionsbüro Hein entwickelt und wird als Elektrode zum Erodieren oder z. B. als fertiger, temperierbarer Einsatz mit vielen Befestigungsmöglichkeiten von Nonnenmann bereits seit längerer Zeit angeboten.

Tunnelanguss mit der Angussbremse im eingebauten Zustand. (Abb.: Hein)

Tunnelanguss mit der Angussbremse im eingebauten Zustand. (Abb.: Hein)

In Verbindung mit den Heino-Angussbremsen lassen sich der matte Hof und sichtbare angussnahe Materialorientierungen vermeiden, da die Fließgeschwindigkeit im ersten Moment reduziert wird und sich so ein früher Quellfluss aufbauen kann. In den Abbildungen ist der Heino-Tunnelanguss mit der Angussbremse im eingebauten Zustand zu sehen. Die linke Abbildung zeigt den hier verwendeten Entlüftungsauswerfer in dieser jetzt über die gewählte Auswerferlänge einstellbaren Angussbremse. Die Entlüftungsauswerfer gehören zum Heino- Entlüftungsprogramm, welches bis zu Überlaufentlüftungen zur Neuorientierung von Faserausrichtungen in Bindenähten reicht. In der rechten Abbildung ist der eingebaute Temperierumlenker, der auch separat als Viertelmeterware zum Selbstablängen erhältlich ist und immer den ideal runden Temperierquerschnitt für den geringsten Druckverlust ermöglicht, zu sehen. Über die Temperatur in dem Angusseinsatz kann die Nachdruckwirkung, die Sauberkeit des Abscherens des Tunnelangusses und die Entformungszeit für den Anguss beeinflusst werden.

Überlaufentlüftungseinsätze optimieren die Bindenaht

Überlaufentlüftungseinsatz zur Optimierung von Bindenahtqualitäten und kontrollierten Entlüftung des Bauteil- und Angussbereiches. (Abb.: Hein)

Überlaufentlüftungseinsatz zur Optimierung von Bindenahtqualitäten und kontrollierten Entlüftung des Bauteil- und Angussbereiches. (Abb.: Hein)

Seit einigen Jahren erfordern neue Zusätze in Kunststoffen (z. B. für verbesserten Brandschutz) eine umfassendere Entlüftung in Spritzgießwerkzeugen. Bisher beschränkte sich Entlüftung meist auf das Anziehen von Entlüftungsfähnchen am Fließwegende, auf die man heute aus unterschiedlichen Gründen verzichten sollte. Die einfach und kostengünstig umsetzbaren Entlüftungslösungen des Heino-Programms folgen der Vorgehensweise einer umfassenden Entlüftung der Form in und um die Kavität herum.

So dient bspw. der Heino-Überlaufentlüftungseinsatz der Optimierung von Bindenahtqualitäten und zur kontrollierten Entlüftung des Bauteil- und Angussbereiches über spezielle Entlüftungsauswerfer, die Platz sparend über eine durchgebohrte Zylinderschraube befestigt werden können. Die so vorgesehene starke Entlüftung sorgt bis zum letzten Punkt der Füllung für eine Entlüftung und Abführung der Substrate, die der Fließfront vorauseilen. Der Überlaufbereich wird idealerweise gerade auch bei faserverstärkten Bauteilen über eine Spritzgießsimulation ausgelegt, damit durch die Neuorientierung der Glasfaser in der Bindenaht eine hohe Bindenahtqualität und Belastbarkeit erreicht werden kann, denn die Bindenaht soll sich definiert schließen bevor die Nebenkavität der Überlaufentlüftung gefüllt wird, um anschließend wie ein Tunnelanguss abreißend entformt zu werden.

Überlaufentlüftungseinsatz im eingebauten Zustand. (Abb.: Hein)

Überlaufentlüftungseinsatz im eingebauten Zustand. (Abb.: Hein)

Bei optischen Beeinträchtigungen durch die Bindenaht wird das Entlüftungskonzept noch über eine Temperierung über die Temperierumlenker im Bereich der Bindenaht unterstützt, was nicht nur bei Isoform-Werkzeugen sogar zyklusabhängig gesteuert werden kann. So ergibt sich eine bessere Produktqualität und Prozesssicherheit ohne Zykluszeitverlängerung. Besonders in Kombination mit den Isoform-Werkzeugen lassen sich diese Entlüftungskonzepte so einsetzen, dass eine Punktlandung ohne Entlüftungsprobleme und ohne Bindenahtprobleme bei der ersten Musterung vorhersehbar wird.

Methodische Bestimmung von Schwindungsdaten

Mit der Shrinkage Expert Method bekommen Entwickler, Werkzeugmacher und Kunststoffverarbeiter eine methodisch gemessene Werkstoffdatei an die Hand. (Abb.: Hein)

Mit der Shrinkage Expert Method bekommen Entwickler, Werkzeugmacher und Kunststoffverarbeiter eine methodisch gemessene Werkstoffdatei an die Hand. (Abb.: Hein)

Auf dem 19. Technologietag des Konstruktionsbüro Hein im Mai 2015 wurde die Shrinkage Expert Method erstmals vorgestellt, ein Kooperationsprojekt von Simcon kunststofftechnische Software GmbH, Würselen, und Konstruktionsbüro Hein. Mit methodisch gemessenen Schwindungen und dem dabei ermittelten Verzug wird damit eine höhere Genauigkeit der Vorhersagen für Schwindung und Verzug möglich. Mit den Daten wird das Simulationssystem referenziert, und auf der Grundlage der gelieferten Schwindungsdaten können firmeneigene Schwindungs- und Verzugsdatenbanken aufgebaut werden.

Um Spaltmaße und Funktionsmaße mit Toleranzen von 0,05 mm usw. für ein Bauteil erreichen zu können, muss ein Werkzeug entsprechend ausgelegt sein und bereits im Vorfeld Faktoren wie Schwindung und Verzug durch qualifizierte Vorhersagen möglichst realistisch berücksichtigen.

Das ist eine Herausforderung, vor allem wenn sich die Schwindung, wie zum Beispiel bei fasergefüllten thermoplastischen Kunststoffen, anisotrop, also in den drei Raumrichtungen unterschiedlich, verhält. Hat man hier keine Erfahrungswerte, z. B. durch Vermessung des gespritzten Kunststoffteiles eines Vorgängerbauteiles mit gleichem Werkstoff und gleichen Wandstärken mit ähnlicher Geometrie als Referenz gegen das bestehende Werkzeug, so muss man eine aussagefähige Information über die Schwindungen an anderer Stelle einholen. Mit Daten von unrealistisch vermessenen Platten oder Zugstäben kann man allerdings nicht immer bei der ersten Musterung eine Punktlandung innerhalb der Toleranzen erreichen.

Produktentwicklung muss Schwindung festlegen

Zukünftig muss bereits der Produktentwickler die Schwindung festlegen. Er steht mit seiner Bauteilgestaltung, der Festlegung für einen Rohstoff und das Fertigungsverfahren ganz am Anfang der Ursachen für Schwindung und Verzug. Das erscheint soweit auch logisch, aber die Erfahrungen in der Kunststoffverarbeitung und in der Herstellung der Werkzeuge hat der heutige Produktentwickler nur selten. Das muss sich in absehbarer Zeit ändern. Je früher ein Bauteil für einen Rohstoff entsprechend kunststoffwerkzeug- und verarbeitungsgerecht ausgelegt wird, umso mehr gibt es die Möglichkeit Bauteile und Herstellungsprozesse so zu gestalten, dass bei der ersten Musterung Gutteile erreicht werden können. Dafür müssen die Partner aus Produktentwicklung, Formenbau und Produktion heute ihr Wissen gemeinsam in die Waagschale werfen, um ein optimales Ergebnis zu erhalten.

Schwindungsdatenbank aus methodischer Vermessung

Mit der Shrinkage Expert Method werden Schwindungsergebnisse durch methodische Vermessung von praxisnahen Bauteilen, die aus einer repräsentativen Kastengeometrie bestehen, mit unterschiedlichen Wandstärken und unterschiedlichen Anspritzpositionen ermittelt. Je nachdem, ob es sich um isotrope oder anisotrope Werkstoffe handelt, werden 500 bis 800 Bauteile je Werkstoffcharge methodisch mit statistischer Absicherung hergestellt. Im Anschluss erfolgt die Vermessung. Kommt das Thema Konditionierung z. B. bei den Polyamiden noch hinzu, werden Bauteile vor und nach der Klimakonditionierung vermessen.

Damit wird Rohstoffherstellern, Entwicklern, Werkzeugmachern und Kunststoffverarbeitern eine methodisch gemessene Werkstoffdatei an die Hand gegeben, mit der sie im einfachsten Fall die Schwindung für einen Werkstoff unter bekannten Verarbeitungsparametern für ein Bauteil wandstärkenabhängig auslegen können. Diese Werkstoffdatei kann aber auch in den Unternehmen als Grundstock für eine eigene Schwindungsdatenbank verwendet werden, die man je nach Bedarf auch noch auf firmenspezifische Bauteile erweitern kann und mit denen man sein Spritzgießsimulationssystem referenzieren kann.

Als weiterer Nutzen werden in einem neuartigen Verfahren die an den realen Spritzgussteilen ermittelten Schwindungs- und Verzugswerte in einem kalibrierten Cadmould-Datensatz verwendbar. Dieses Verfahren befindet sich derzeit in der Entwicklung. Das Ergebnis soll in Kürze eine weitere Verbesserung der Schwindungs- und Verzugsvorhersage mit den Simulationssystemen Cadmould und Varimos für eine noch sicherere Optimierung von Bauteil, Werkzeug und Prozess sein.

Heute kann man diese speziellen Werkstoffdaten aus der Shrinkage Expert Method kurzfristig bestellen. Ein wesentlicher Baustein zum Erreichen von Gutteilen bei der ersten Musterung ist hiermit gesetzt.

www.KB-Hein.de
www.nonnenmann.net

Auf der Fakuma 2015:

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